直線驅動連桿機構機器人關節的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機器人技術應用領域，具體涉及一種通過直線傳動方式，驅動連桿機 構組成的機器人關節，主要應用于關節機器人的大臂和小臂關節。
【背景技術】
[0002] 按結構特點對工業機器人進行劃分，大致可分為兩類：串聯型工業機器人和并聯 型工業機器人。串聯機器人通俗點說就是一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點。其結 構上最大的特點就是在每個活動關節處均由電機直接連接減速器進行驅動，從而控制機器 人的運動。每個關節都采用獨立的驅動電機及減速器，使其技術含量高，難度大，成本高，且 其質量均加載到了大、小臂上，增加了運動結構的質量，致使機器人運動過程中慣量加大。 在要求高速、重載的情況下，難于控制。且各關節的誤差在執行部分得到了累積和放大，致 使其精度偏低。
[0003] 目前工業機器人使用較多的是RV減速機，它體積外形輕巧靈活、運行平穩、適用 性強，在工業機器人上已經應用成熟。但這種高性能減速機存在制造材料苛刻、制造精度要 求高、結構復雜、造價成本高等問題，增加了機器人生產過程中的成本和技術要求，是目前 機器人產業化進程中的薄弱一環。
[0004] 而并聯機器人則恰恰相反，并聯機器人通常被定義為一類閉環機構，該機構中定 平臺通過至少兩個相互獨立的運動鏈與動平臺相連接。與串聯機器人相比較，其結構剛度 大、承載能力強、結構穩定、驅動系統成本低、減輕了運動部分的重量、動態性能好、控制簡 化且精度高、經濟性能好，完全對稱的并聯機構具有較好的各向同性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供了一種采用連桿機構，對大臂實施獨立軸承簡支梁支承，通 過滾動直線工作元件進行驅動，實現大臂擺動的機器人關節。
[0006] 本發明的機器人關節技術解決方案是直線驅動連桿機構機器人關節，包括底板， 固定在底板上的支承板，支承板上設有直線驅動機構和四連桿機構，四連桿機構由大臂、支 承板、連架桿和傳動桿構成，直線驅動機構由第一剛體、第二剛體構成，其中連架桿的一端 與支承板的一端活動鉸接，連架桿的另一端和傳動桿的一端與第一剛體活動鉸接，傳動桿 的另一端與大臂的一端活動鉸接，大臂的另一端固接于連接件的一端并與支承板的另一端 活動鉸接，第二剛體的一端與支承板活動鉸接，第二剛體與第一剛體通過直線移動副連接。
[0007] 以上所述的直線移動副可為螺母絲桿驅動裝置，所述第一剛體是絲桿螺母座，所 述第二剛體是滾珠絲桿。
[0008] 本發明的直線移動副可為液壓缸驅動裝置或氣壓缸驅動裝置。
[0009] 本發明的支承板可為平行設置的兩塊支承板，直線驅動機構和四連桿機構設在兩 塊支承板之間。
[0010] 本發明的四連桿機構中可采用并聯的傳動桿和連架桿。 toon] 本發明的四連桿機構中的傳動桿可為弧形連桿。
[0012] 本發明的工作原理是機器人關節由第二剛體通過直線移動副驅動第一剛體直線 往復移動，第一剛體驅動四連桿機構中的傳動桿運動，再由傳動桿將動力傳遞給大臂。因為 大臂一端活動的鉸接在與底座固定的支承板上，所以使大臂發生一定角度的轉動。
[0013] 本發明的機器人關節采用的是滾動部件，摩擦系數低，傳動效率高；關節支承軸采 用簡支梁結構，具有良好的受力性能，它可以實現電機轉角到大臂擺角大比數的減速傳動 ，避免使用RV減速機，使得機器人關節結構簡單，制造難度降低，制造成本減小。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明的立體圖； 圖2是本發明的構造示意圖； 圖3是圖2中沿A-A剖視圖； 圖4是本發明的運動狀態1示意圖； 圖5是本發明的運動狀態2示意圖； 圖6是本發明的運動狀態3示意圖； 圖7是本發明的機構原理簡圖； 圖8是本發明的輸入量與輸出量關系機構分析圖； 圖9是本發明的輸入量與輸出量關系曲線圖。
[0015] 上述各圖中標號名稱：1、底座；2、支承板；3、連架桿；4、大臂；5、傳動桿；6、電機 支座；7、滾珠絲桿；8、同步帶輪；9、調節塊；10、伺服電機；11、絲桿螺母；12、第一軸；13、第 二軸；14、第三軸；15、關節支承軸；16、關節軸承；17、滾珠絲桿軸承；18、絲桿螺母座；19、 絲桿螺母座軸臂； A、第一鉸接點；B、第二鉸接點；C、第三鉸接點；D、第四鉸接點；E、第五鉸接點。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明： 參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6,本發明為一種直線驅動連桿機構機器人關節，包 括：底座1、支承板2、連架桿3、大臂4、傳動桿5、電機支座6、滾珠絲桿7、同步帶輪8、調節 塊9、伺服電機10、桿絲螺母11、第一軸12、第二軸13、第三軸14、關節支承軸15、關節軸承 16、滾珠絲桿軸承17、絲桿螺母座18、絲桿螺母座軸臂19。
[0017] 平行設置的兩塊支承板2通過螺栓固定安裝在底座1上，構成機器人關節的基座。
[0018] 伺服電機10固定安裝在電機支座6上，滾珠絲桿7通過一對角接觸球軸承鉸接在 電機支座6上，使滾珠絲桿7可以繞著其軸線旋轉運動。伺服電機10與滾珠絲桿7之間采 用同步帶傳動，以達到一級減速的目的。電機支座6通過第三軸14和角接觸球軸承活動鉸 接在支承板2上，使得電機支座6可以繞著第三軸14的軸線旋轉。
[0019] 為了保證伺服電機10與滾珠絲桿7之間的同步帶始終保持預緊狀態，在電機支座 6上安裝了調節塊9,通過移動調節塊9調節同步帶的預緊力。
[0020] 本發明中的四連桿機構由兩支承板2、兩連架桿3、大臂4、兩傳動桿5組成。大臂 4與關節支承軸15過盈配合通過緊定螺釘實現軸向固定，再通過關節軸承16與支承板2鉸 接。傳動桿5-端與第一軸12過盈配合通過緊定螺釘實現軸向固定，再通過角接觸軸承與 大臂4鉸接。連架桿3-端與第二軸13過盈配合通過緊定螺釘實現軸向固定，再通過角接 觸軸承與支承板2鉸接。傳動桿5的另一端和連架桿3的另一端通過深溝球軸承與固定焊 接在絲桿螺母座18上的絲桿螺母座軸臂19鉸接。因此，傳動桿5、連架桿3、絲桿螺母座18 三者之間可以相互轉動。
[0021] 為了讓直線驅動機構與四連桿機構合理的鏈接，將絲桿螺母座18和絲桿螺母11 固定連接。
[0022] 為了增大大臂4的擺角極限，四連桿機構中的傳動桿5采用弧形連桿。
[0023] 所述直線移動副可采用液壓缸驅動裝置或者氣壓缸驅動裝置。
[0024] 如圖7所示，由伺服電機10通過同步帶輪8輸入的驅動力實現絲桿螺母11的直 線往復移動，從而驅動四連桿機構運動。由于支承板2是固定，所以C點帶動傳動桿5運動， B點再驅動大臂4發生一定角度的轉動，完成轉矩輸出，最終實現伺服電機10轉角到大臂4 轉角所需要的減速功能。
[0025] 如圖4所示的直線驅動連桿機構機器人關節運動狀態1，大臂4能達到最大擺角的 機構運動狀態。
[0026] 如圖5所示的直線驅動連桿機構機器人關節運動狀態2,大臂4處于一般擺角的機 構運動狀態。
[0027] 如圖6所示的直線驅動連桿機構機器人關節運動狀態3,是大臂4能達到最小擺角 的機構運動狀態。
[0028] 如圖8所示，該直線減速機構是非線性系統，因而需要求出大臂4的擺角和滾珠絲 桿7的長度的對應關系方程。利用matlab軟件進行仿真再用曲線擬合功能求出伺服電機 10轉角與大臂4擺角之間的關系函數。
[0029] 設 AB=LI，AD=L2，CD=L3，BC=L4，DE=L5，BD=L6，CE=L; 由圖可知：LI，L2，L3，L4，L5，Z 2，Z 4，Z 7均為固定值。
[0030] 將AF (大臂4)與水平線的夾角Z I作為自變量X，CE (絲桿長度L)作為因變量 y，而建立方程。
[0031] Z 3=360°- Z I- Z 2- Z 4 ； 根據余弦定理
【主權項】
1. 直線驅動連桿機構機器人關節，包括底板，固定在底板上的支承板，支承板上設有直 線驅動機構和四連桿機構，其特征在于：四連桿機構由大臂、支承板、連架桿和傳動桿構成， 直線驅動機構由第一剛體、第二剛體構成，其中連架桿的一端與支承板的一端活動鉸接，連 架桿的另一端和傳動桿的一端與第一剛體活動鉸接，傳動桿的另一端與大臂的一端活動鉸 接，大臂的另一端固接于連接件的一端并與支承板的另一端活動鉸接，第二剛體的一端與 支承板活動鉸接，第二剛體與第一剛體通過直線移動副連接。
2. 根據權利要求1所述的直線驅動連桿機構機器人關節，其特征在于：所述直線移動 副是螺母絲桿驅動裝置，所述第一剛體是絲桿螺母座，所述第二剛體是滾珠絲桿。
3. 根據權利要求1所述的直線驅動連桿機構機器人關節，其特征在于：所述直線移動 副為液壓缸驅動裝置或氣壓缸驅動裝置。
4. 根據權利要求1所述的直線驅動連桿機構機器人關節，其特征在于：所述支承板為 平行設置的兩塊支承板，直線驅動機構和四連桿機構設在兩塊支承板之間。
5. 根據權利要求1所述的直線驅動連桿機構機器人關節，其特征在于：所述四連桿機 構中采用并聯的傳動桿和連架桿。
6. 根據權利要求1所述的直線驅動連桿機構機器人關節，其特征在于：所述四連桿機 構中的傳動桿為弧形連桿。
【專利摘要】本發明涉及直線驅動連桿機構機器人關節，包括底板，固定在底板上的支承板，支承板上設有直線驅動機構和四連桿機構，四連桿機構由大臂、支承板、連架桿和傳動桿構成，直線驅動機構由第一剛體、第二剛體構成，其中連架桿的一端與支承板的一端活動鉸接，連架桿的另一端和傳動桿的一端與第一剛體活動鉸接，傳動桿的另一端與大臂的一端活動鉸接，大臂的另一端固接于連接件一端并與支承板的另一端活動鉸接，第二剛體的一端與支承板活動鉸接，第二剛體與第一剛體通過直線移動副連接。本發明具有較小的摩擦系數，良好的受力性能，機構簡單，制造成本低等優點。
【IPC分類】B25J17-00
【公開號】CN104827485
【申請號】CN201510195908
【發明人】梁上杰, 蔡延杰, 陳建偉, 廖偉東, 王強, 李鍛能
【申請人】廣東工業大學
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月23日